消防水泵远程监控技术研究综述

张子蕴， 周梦飞， 盛 平， 杨家富*

(1.南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037；2.泰州玉林动力机械有限公司，江苏 泰州 210000)

随着科技的进步，消防水泵的用途越来越广泛，消防水泵已经成为消防给水系统的重要组成部分。发生火灾时，消防水泵能否实时启动并供水决定了消防给水的可靠性。传统的消防水泵运行监测主要是通过消防水泵控制柜交流接触器吸合，火灾报警控制器收到水泵启动与交流接触器上的无缘触点闭合的信号，监控人员通过火灾报警控制器来掌握消防水泵的运行情况。然而该监测方法存在隐患，不能准确的反映消防水泵是否真正启动并供水。近年来，针对传统监测方法的弊端，市场中研制出了能够远程实时监测记录消防水泵运行状态的装置，该装置将监测与远程功能结合起来，可以为用户提供更加方便、安全的生活保障。

1 国内外消防水泵远程监控技术研究现状

消防水泵远程监控技术是伴随着泵业的进步，根据泵业的应用而逐渐发展起来的产物。纵观国外消防水泵远程监控系统的开发应用，美国、英国、加拿大、德国等国家在此方面的研究和技术规模领先我国。国外将计算机、控制、通信技术进行融合并对嵌入式和无线监控网络深入研究，以单片机为核心的数据采集系统经串行口与PC机相连接构成的多微机系统早已广泛应用于消防水泵远程监控等工业控制领域，监控模块多采用GPRS与Internet相连接，监控中心连接Internet接受数据，发出的数据以网络协议数据报的形式传输。国内传统的消防水泵运行监测主要是通过消防水泵控制柜，张国平[1]指出传统水泵控制模式的弊端并提出改进方案，在消防水泵控制柜上加设消防水泵远程手动控制盘和远程合分闸控制。到21世纪初期，在参考美国、澳大利亚等国家的远程监控技术后，吸取他们成功的经验，我国的远程监控系统采取网络化结构设计，并利用现代通信技术、综合信息处理显示技术、计算机及计算机网络通信技术集合而成。马圣波[2]提出利用消防远程监控系统联网技术将火灾探测报警和消防管理、通信指挥、灭火救援等功能有机结合起来，可以最大限度地减少火灾造成的人民生命财产损失。

2 消防水泵远程监控技术的研究

2.1 消防水泵远程监控技术的主要功能

为了保证消防系统能够在火灾来临时正常运行，满足消防远程监控系统技术规范要求，目前，我国各地正在积极开展消防远程监控系统的建设。消防水泵远程监控系统是以消防设施中的消防水泵为监控对象，它的设计理念是实时监测消防设备的工作状况，同时能够针对设备长期的运行数据进行统计；其中包括设备的故障分析与处理，确认故障类型和状态，设备启动停止管理等。系统结合了计算机网络，自动控制技术对消防水泵运行参数进行实时监测、采集、处理、传输、显示、存储。消防水泵运行时，主要测量参数有流量、扬程、转速、压力等。控制模块主要负责控制消防水泵的启动和停止。由于水泵在运行过程中要保持恒定水压，翟娟[3]提出采用模糊控制算法实现水泵恒压出水，结合近似的数学模型，并在Matlab平台上进行仿真验证，仿真结果表明模糊控制算法可以有效的使消防水泵恒压出水。目前，消防水泵远程监控技术主要应用于我国主流建筑，然而面对地域广泛，环境恶劣，信号较差的地区，例如森林、高原等地，周梦飞[4]提出在原有的远程监控系统的基础上添加了GPS定位功能，能够及时获取消防水泵的位置以及环境信息，便于后期对消防水泵的日常维护保养。

2.2 远程监控系统的结构

远程监控是伴随着计算机、网络、通信等现代技术的应用而发展起来的新兴技术。具体而言，利用传感器检测所需信息，再利用手机、电脑终端等方式实现被控对象的远程控制。被控对象的运行情况、地理位置等信息会实时反馈到用户手中。远程监控系统一般由数据采集模块、控制模块、数据传输模块和数据分析处理模块组成。系统总体框架图如图1所示。

图1 远程监控系统框架图

2.2.1 数据采集模块和控制模块

消防水泵远程监控系统的前端由数据采集模块和控制模块组成。数据采集模块包括传感器[5-7]、A/D转换器。传感器负责采集消防水泵的运行参数，然后通过A/D转换器将模拟量转换成数字量，再交由控制模块进行计算处理。

控制模块中主控制器在整个系统中承担着最核心的任务，它负责整套监测系统内部所有数据的收集与执行，起到承上启下的作用，需要实现与移动终端的交互。因此，选择合适的主控制器可以保证整个系统的稳定和可靠。现阶段，用于控制模块的主控制器大体分为三类：单片机、工控机、PLC。

单片机系统是嵌入式系统开放的主要组成部分，主要特点表现为：控制功能强，任何现场控制基本都能完成；体积小，易于嵌入；实时性好，运行速度快，广泛采用汇编语言或C语言。傅良康[8]等开发了一套基于STM32单片机的远程监控系统，STM32单片机是一种嵌入式微控制器集成电路，具有低功耗、低价格、高性能等优点，该系统由传感器模块检测的数据传输至STM32进行处理，再通过网络传输至用户。

工控机系统以微机为主要载体，CPU控制板或基础功能模块实现功能扩展，以此来实现控制功能的目的。工控技术是一种基于网络通信模块搭建的控制技术，可实现控制指令与执行系统之间的通信和控制。通过上位机工业计算机终端控制器与末端计算机之间进行相互通信，实现数据传输。该系统具有以下几方面特点：可以设计多种可视化界面，且界面内容丰富，便于操作；可实现联网、组态以及远程控制和访问；编译环境可选性强。

PLC是一种应用于大型工业生产的智能控制器，具有控制功能强、体积小、能耗小以及无触点开关等优势。其主要特点有：故障率低，抗干扰性高，坚固耐用；有强大的功能接口；开发周期短，通用性好。用户可以根据对象的控制要求来进行控制程序的编写，然后将程序下载到PLC的寄存器中，PLC的控制功能就是通过运行用户存储器中编好的程序来实现的。侯钰[9]设计的消防水泵智能巡检控制系统以PLC作为主控制器，以显示器清晰易懂、功能多样和PLC有很好兼容性的MCGS触摸屏作为人机交互设备。该系统的主要功能为通过触摸屏发出控制命令，PLC将命令数据传输给变频器然后控制各个水泵的运行状况并采集水泵的运行参数，再通过PLC将数据输送到触摸屏和上位机实时更新显示出来，实现对消防水泵的控制和状态检测，及时了解消防设备的工作状况，消除消防水泵潜在的安全隐患。PLC可以通过自身扩展的接口与计算机或者上位机进行通信，并采用循环扫描的方式来进行工作，将其接通电源后，PLC会按照系统主控程序的命令来循环执行任务，其工作过程如图2所示。

图2 PLC工作过程

PLC输入端口可以检测消防水泵的关键节点状态，包括消防信号、电源工作状态、消防水泵工作模式，输出端直接控制驱动中间继电器来间接控制消防水泵。

目前，在远程监控领域中，PLC、工控机和单片机三种控制器在功能上相互交叉，需根据实际的应用场合与控制要求进行选择。

2.2.2 数据传输模块

数据传输模块处于远程监控系统的核心位置，消防水泵与控制器之间的数据传输采用在控制器上外接一个总线模块，将传感器采集到的信息传送到控制器进行处理，处理后的控制信号也通过总线模块发送给消防水泵。用户与消防水泵之间进行信息交流主要通过人机接口，人机接口将用户的指令发送给消防水泵，同时将消防水泵的反馈和状态信息告知用户。

数据传输模块主要的网络通讯方式有：局域网、互联网、无线网等。以单片机为主控制器的远程监控系统多采用无线网上传数据，主要有以下三种：窄带物联网NB-IoT、Zigbee、LoRa。窄带物联网是5G时代物联网的技术核心，未来有非常可观的发展前景。孙洁[10]设计的远程监控系统就是在NB-IoT的通信手段的支持下，将采集到的数据通过基站传输到云服务器进行存储，以完成每个地区的远程数据监控。Zigbee主要用于短距离数据传输，要想在超长距离进行数据传输必须与其他无线组网进行结合使用，目前与Zigbee相结合最多的无线组网是GPRS。韩团军[11]提出了一种基于GPRS和Zigbee的远程实验室安全管理系统，Zigbee模块接收到的终端数据通过串口的方式将其发送至主控单片机，主控芯片再启动GPRS 模块将数据包上传服务器上位机软件进行数据包的解压、分析、实时显示、保存，整个系统网络结构简单，工作稳定可靠。LoRa通信技术是物联网当中常用的无线通信技术，能够满足超长距离的网络通信，并具有低功率、大链接、低成本等特点，可以实现大规模的网络部署。田旭飞[10]等设计出基于LoRa无线传输机制的远程监控系统，采用LoRa级联组网方式来实现数据的传输和转发，LoRa组网级联时，每一台设备相当于一个中继器，从而将数据转发出去，这样可实现超长距离通信，数据汇聚到这一片区内的LoRa模块，最后通过4G通信模块将片区内的所有数据发送至后台服务器。3种网络的参数对比见表1。

表1 NB-IoT，Zigbee，LoRa 参数对比表

消防水泵的远程监控系统的网络通信需对比三种无线组网，再结合实际的应用场合与控制要求进行选择。

为给互联网络提供通信支持，需根据操作系统和硬件体系结构选择合适的通讯协议，然而设备的通讯协议复杂多样，协议标准很难统一，针对物联网设备通讯协议的多样性这一问题，殳雪城[13]等设计了一种基于边缘计算的物联网网关的监控系统，采用EdgeX Foundry 边缘计算框架，为设备数据的采集与设备的控制提供了新的思路。

鲍军民[14]设计的监控系统基于阿里云平台采用MQTT协议实现数据传输，按照MQTT协议将状态信息发送至云平台。在一般物联网应用层MQTT、CoAP、Http等协议中，MQTT协议以其简约、轻易、易于使用等优点已经应用于各物联网平台。该协议构建于TCP/IP之上，实现消息的发布、订阅模式，特别适用于资源有限的嵌入式设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络环境。MQTT工作流程如图3所示，通过客户端将采集到的数据以MQTT的形式实时地传输到云端，位于云端的MQTT服务器接收到数据后，做出处理，发布该主题，同时位于WEB端的MQTT客户端订阅该主题，获取数据。

图3 MQTT工作流程

2.2.3 数据分析处理模块

数据分析处理模块由远程数据接入系统、计算机终端和系统数据库组成，对接收到的信号进行分析处理，从而达到对消防水泵的远程监控。

数据库具有对消防水泵的运行数据进行查询和存储，系统登陆信息的检索和读取等功能。根据消防水泵远程监控与管理系统的功能，设计与之对应的数据库。翟娟[15]设计的远程监控平台是基于Linux平台搭建Web服务器，设计SQLite数据库，SQLite数据库是一种嵌入式数据库，是由D.Richard开放出来的，代码简单，无需配置，放弃了传统数据库的复杂特性，直接运行程序，占用的内存小而少，实现了数据库的一些必备的基本功能。用户在查询消防水泵运行数据时，首先选择要查询的条件，然后通过应用程序读取串口数据，向data表写入数据；最后通过函数读取data表数据，发送到浏览器上显示。

但是SQLite适用于较小的数据库，随着数据库的增长，使用SQLite时内存需求也会变大，性能优化则更加困难，并且SQLite没有内置的身份验证机制，任何人都可以访问数据库文件。相比较SQLite数据库，MySQL数据库带有许多的内置安全功能，包括使用用户名，密码和SSH进行身份验证，并且MySQL易于扩展，可以轻松处理更大的数据库。徐建明[16]设计了一种通过MQTT与位于阿里云的 MySQL数据库进行数据交互的监控系统，该系统中的存储模块通过C语言进行搭建，并嵌入到本地客户端，数据库表格采用树状关系图的方法进行设计，使用多表关联方式建立对象表、设备表、采集点数据表，该设计方法优势在于扩展性高，无需频繁修改数据库。在功能上实现数据解析、数据筛选和数据储存，具体实现方式如图4所示。

图4 数据存储模块功能图

3 总结与展望

综上所述，消防水泵远程监控技术实现了实时监控某区域范围内消防水泵的运行情况，可查询消防水泵的历史运行数据，远程控制消防水泵启动和停止等功能，满足《城市消防远程监控系统技术规范》要求，对设备长期的运行数据进行分析与统计。由于人民对生活质量要求的不断提高和现代技术飞速的发展，消防水泵作为使用率最高的灭火设备之一，消防水泵的远程监控技术的发展也处于上升趋势。

目前，消防水泵远程监控技术仍需进一步完善，在后续的工作中需要完善的地方主要包括：引入机器视觉技术，监控人员能更加直观的了解水泵的运行情况；开发模糊PID恒压控制和神经网络PID恒压控制系统；远程监控系统提供功能扩展口，供用户按照自身特殊要求进行二次开发，完善远程监控系统的功能；随着监控数据会不断的增多，会形成大量数据，对数据库的设计优化，配置数据库同步备份，保证数据的安全性，实现数据共享，方便人们对水泵运行相关数据的统计，并为水泵的使用、维护、安全检验等工作提供基于数据的理论支持；消防水泵远程监控技术应向智能化方向发展，与机器视觉技术[17]、物联网、机器学习、人工智能等领域的内容相结合，使整个系统更加完善。